4.帆船为什么可以逆风而行

我们很难理解帆船是怎么做到在逆风的条件下出航行驶的（船手们将它称为顶着前侧风行船）。坦白地说，船员会跟你这样解释：帆船在正面遇到风的时候是没有办法出航的，但是如果帆船和风向的夹角是锐角时，就具备了出航的条件。不过这个锐角只有直角的四分之一，换句话说就是22°，我们肯定觉得这个锐角也太小了，正面迎风跟风呈22°夹角出航同样让人觉得难以置信。

不过，从理论上讲，这两种情况是有差异的。我们现在不妨来阐述一下当帆船同风向呈现的夹角很小时，是怎样凭借吹拂的海风迎风前行的。首先，我们来观察一下，通常情况下，海风是怎样影响船帆的，换句话说，当船帆承受海风的吹拂时，它会被海风推向何处。我们或许会这样说，船帆前行的方向与被海风吹拂的方向是一致的。事实上这并不正确：不管海风吹向何处，它都会跟帆面产生一个垂直的力，并且以此来带动帆船前行。

图17　风吹动帆的方向总是与帆呈直角

这其中真正的原理是：我们假设图17中的箭头代表的是风向，船帆用线段AB表示。考虑到整个帆面都会受到风力的作用，因此我们把风力的作用点安放在帆的中间位置，用字母R表示。这个力能够被与帆面保持垂直的力Q以及同船帆保持水平的力P分解。船帆无法接收来自力P的作用，因为风与帆面之间无法产生足够的摩擦力。而力Q之所以能够推动船帆，是因为它和船帆呈的夹角是直角。

我们了解了这一点后，就能够理解为什么呈锐角的帆船能够顶风前行了。

我们设想一下，如果我们将图18中的线段看作是船的龙骨。而那些箭头是风吹拂它的方向。帆面用线段AB表示。当我们将船帆转动起来，让帆面同龙骨以及海风吹拂的方向刚好处在角的平分线上，之后再来观察一下图18中的力是如何被分解的。力Q代表风施加在帆上的作用力，众所周知，这个力应该垂直于帆面。我们将这种力分解为两个力——力R以及力S，力R的方向垂直于龙骨线，而力S的方向则顺着龙骨线朝前方移动。如果船沿着B的方向前行，会承受相当强的阻力（龙骨吃水很深），因此，它会将力R彻底抵消。如此一来，朝向前方的力S成了唯一对船帆产生推动作用的力，我们会认为帆船是在顶风前行，通常情况下，此时帆船的移动轨迹会呈现出“之”字形，正如图19向我们展示的那样。这种现象被船员们称为顶风折线前行。

图18　帆船是如何逆风而行的

图19　帆船逆风曲折行驶